《学霸笔记 同步精讲》第5章 原子核与基本粒子 4.核裂变 核聚变 5.粒子物理学发展概况（课件）高中物理教科版选择性必修3
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| 名称 | 《学霸笔记 同步精讲》第5章 原子核与基本粒子 4.核裂变 核聚变 5.粒子物理学发展概况（课件）高中物理教科版选择性必修3 |
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| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 4.4MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 教科版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2026-03-10 00:00:00 | ||
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文档简介
(共48张PPT)
4.核裂变 核聚变 5.粒子物理学发展概况
第五章
2026
课 标 定 位
1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件。
2.知道核聚变,了解受控聚变反应。
3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。
4.知道加速器和对撞机,知道粒子的分类,了解夸克模型。
5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。
素 养 阐 释
物理观念:核裂变、链式反应、临界体积、核聚变、热核反应、夸克。
科学思维:类比法学习核裂变和核聚变。
科学态度与责任:通过对核裂变与核聚变中核能的计算,感受可控利用核能的意义。通过对原子弹、氢弹、核电站等的学习,了解我国科学家的杰出贡献及献身精神。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
二、核反应堆与核电站
1.核反应堆。
(1)分类:慢中子反应堆和快中子反应堆。
(2)燃料:铀棒(浓缩的铀235制成)。
(3)减速剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用普通水、重水或石墨作减速剂。
(4)控制棒:为了调节中子的数目以控制反应速度,采用在反应堆中插入镉(或硼)棒的方法,利用镉吸收中子的特性来控制链式反应的速度。
2.核电站。
(1)定义:利用核反应堆进行发电的场所。
(2)工作原理:核反应堆工作时放出热量并由冷却剂带出,产生高温高压的蒸汽,蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电。
2.受控热核反应。
(1)聚变的难点:地球上没有任何物质结构能够经受热核反应的高温。
(2)控制方法
①磁约束:利用磁场约束参加反应的物质,目前最好的一种磁约束装置是环流器(托卡马克)。
②惯性约束:聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应,在惯性约束下,用激光从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应。
四、粒子物理学发展概况
1.加速器和对撞机。
(1)带电粒子加速器
①作用:获得高能粒子来探索物质深层结构。
②原理:带电粒子在电场中受电场力作用而加速。
③分类:直线加速器和回旋加速器。
(2)对撞机
①作用:让高能粒子流实现对撞。
②目的:提高能量的利用率。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(2)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。( )
(3)快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应。( )
(4)若要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些。( )
(5)核聚变时吸收能量。( )
(6)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元。( )
√
×
√
×
×
√
2.阅读课本P120宇宙的演化,并将下列时期按形成的先后排序。
“大统一”时期;轻子时期;普朗克时期;强子时期。
提示:按照形成的先后排序为:普朗克时期;“大统一”时期;强子时期;轻子时期。
知识点一
核裂变与核聚变
【问题引领】
下图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(2)有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
【归纳提升】
(3)裂变反应的能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
2.核聚变
(1)聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核之间的距离接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到上亿开尔文的高温。
(2)轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
(3)核聚变的特点
①在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
②热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
③普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
(4)核聚变的应用
①核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
②可控热核反应:目前处于探索阶段。
(5)重核裂变与轻核聚变的区别
核反应方式 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限 主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
可控性 比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 【典型例题】
答案:(1)40 90
(2)5.06×1026 MeV
裂变的特点
(1)重核受中子轰击后生成中等质量的核。
(2)裂变中一般产生2~3个中子。
(3)裂变时产生质量亏损,放出能量。
( )
答案:B
【问题引领】
知识点二
核电站
下图为核电站工作流程示意图。
(1)核电站的核心设施是什么
(2)核电站发电有什么优点
提示:(1)核反应堆是核电站的核心设施,原子核的链式反应在此进行。
(2)消耗原料少;作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
【归纳提升】
1.核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件列表如下。
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染
2.反应堆工作原理
(1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,下图为简化的核反应堆示意图,铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
【典型例题】
【例题2】 (多选)关于核反应堆,下列说法正确的是( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
答案:ABD
解析:铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。
答案:BD
【问题引领】
知识点三
粒子的分类及夸克模型
下图为粒子研究的发展示意图。
(1)为什么现在将基本粒子中的“基本”二字去掉,统称为粒子
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破
提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子不是由质子、中子、电子组成的,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。
(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
【归纳提升】
【典型例题】
名称 π+ π- u d
电荷 +e -e
答案:AD
按照夸克模型,质子是由两个上夸克(u)和一个下夸克(d)组成;中子是由1个上夸克(u)和两个下夸克(d)组成。
【变式训练3】 关于粒子,下列说法正确的是( )
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.强子都是带电的粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
答案:D
课 堂 小 结
随 堂 练 习
答案:D
解析:在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒,X的质量数为235+1-94-2×1=140,故其中子数为140-54=86,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。
2.(核聚变)(多选)下列关于聚变的说法正确的是( )
A.要使聚变产生,必须克服强相互作用做功
B.氢核聚变需要上亿摄氏度的高温,因此聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生上亿摄氏度的高温,所以氢弹可利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应
答案:BCD
解析:要使聚变产生,必须克服核子间库仑斥力作用,故A错误;轻核聚变需要上亿摄氏度的高温,因此聚变又叫热核反应,故B正确;原子弹爆炸能产生上亿摄氏度的高温,所以氢弹可利用原子弹引发热核反应,故C正确;在太阳和许多恒星内部进行着热核反应,故D正确。
3.(粒子与宇宙)太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向( )
A.一定与μ子的方向相同 B.一定与μ子的方向相反
C.一定与μ子在同一直线上 D.不一定与μ子在同一直线上
答案:C
解析:中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律,μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向必定也在这条直线上,由于质量关系不确定,则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反,故选项C正确。
4.(核能计算)太阳因核聚变释放出巨大的能量,其质量不断减少。太阳光从太阳射到月球表面的时间约为500 s,月球表面1 m2上1 s接收到太阳辐射的能量约为1.4×103 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A.4×109 kg B.4×1012 kg
C.4×1018 kg D.4×1024 kg
答案:A
4.核裂变 核聚变 5.粒子物理学发展概况
第五章
2026
课 标 定 位
1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件。
2.知道核聚变,了解受控聚变反应。
3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。
4.知道加速器和对撞机,知道粒子的分类,了解夸克模型。
5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。
素 养 阐 释
物理观念:核裂变、链式反应、临界体积、核聚变、热核反应、夸克。
科学思维:类比法学习核裂变和核聚变。
科学态度与责任:通过对核裂变与核聚变中核能的计算,感受可控利用核能的意义。通过对原子弹、氢弹、核电站等的学习,了解我国科学家的杰出贡献及献身精神。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
二、核反应堆与核电站
1.核反应堆。
(1)分类:慢中子反应堆和快中子反应堆。
(2)燃料:铀棒(浓缩的铀235制成)。
(3)减速剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用普通水、重水或石墨作减速剂。
(4)控制棒:为了调节中子的数目以控制反应速度,采用在反应堆中插入镉(或硼)棒的方法,利用镉吸收中子的特性来控制链式反应的速度。
2.核电站。
(1)定义:利用核反应堆进行发电的场所。
(2)工作原理:核反应堆工作时放出热量并由冷却剂带出,产生高温高压的蒸汽,蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电。
2.受控热核反应。
(1)聚变的难点:地球上没有任何物质结构能够经受热核反应的高温。
(2)控制方法
①磁约束:利用磁场约束参加反应的物质,目前最好的一种磁约束装置是环流器(托卡马克)。
②惯性约束:聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应,在惯性约束下,用激光从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应。
四、粒子物理学发展概况
1.加速器和对撞机。
(1)带电粒子加速器
①作用:获得高能粒子来探索物质深层结构。
②原理:带电粒子在电场中受电场力作用而加速。
③分类:直线加速器和回旋加速器。
(2)对撞机
①作用:让高能粒子流实现对撞。
②目的:提高能量的利用率。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(2)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。( )
(3)快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应。( )
(4)若要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些。( )
(5)核聚变时吸收能量。( )
(6)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元。( )
√
×
√
×
×
√
2.阅读课本P120宇宙的演化,并将下列时期按形成的先后排序。
“大统一”时期;轻子时期;普朗克时期;强子时期。
提示:按照形成的先后排序为:普朗克时期;“大统一”时期;强子时期;轻子时期。
知识点一
核裂变与核聚变
【问题引领】
下图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(2)有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
【归纳提升】
(3)裂变反应的能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
2.核聚变
(1)聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核之间的距离接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到上亿开尔文的高温。
(2)轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
(3)核聚变的特点
①在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
②热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
③普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
(4)核聚变的应用
①核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
②可控热核反应:目前处于探索阶段。
(5)重核裂变与轻核聚变的区别
核反应方式 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限 主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
可控性 比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 【典型例题】
答案:(1)40 90
(2)5.06×1026 MeV
裂变的特点
(1)重核受中子轰击后生成中等质量的核。
(2)裂变中一般产生2~3个中子。
(3)裂变时产生质量亏损,放出能量。
( )
答案:B
【问题引领】
知识点二
核电站
下图为核电站工作流程示意图。
(1)核电站的核心设施是什么
(2)核电站发电有什么优点
提示:(1)核反应堆是核电站的核心设施,原子核的链式反应在此进行。
(2)消耗原料少;作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
【归纳提升】
1.核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件列表如下。
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染
2.反应堆工作原理
(1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,下图为简化的核反应堆示意图,铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
【典型例题】
【例题2】 (多选)关于核反应堆,下列说法正确的是( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
答案:ABD
解析:铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。
答案:BD
【问题引领】
知识点三
粒子的分类及夸克模型
下图为粒子研究的发展示意图。
(1)为什么现在将基本粒子中的“基本”二字去掉,统称为粒子
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破
提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子不是由质子、中子、电子组成的,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。
(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
【归纳提升】
【典型例题】
名称 π+ π- u d
电荷 +e -e
答案:AD
按照夸克模型,质子是由两个上夸克(u)和一个下夸克(d)组成;中子是由1个上夸克(u)和两个下夸克(d)组成。
【变式训练3】 关于粒子,下列说法正确的是( )
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.强子都是带电的粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
答案:D
课 堂 小 结
随 堂 练 习
答案:D
解析:在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒,X的质量数为235+1-94-2×1=140,故其中子数为140-54=86,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。
2.(核聚变)(多选)下列关于聚变的说法正确的是( )
A.要使聚变产生,必须克服强相互作用做功
B.氢核聚变需要上亿摄氏度的高温,因此聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生上亿摄氏度的高温,所以氢弹可利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应
答案:BCD
解析:要使聚变产生,必须克服核子间库仑斥力作用,故A错误;轻核聚变需要上亿摄氏度的高温,因此聚变又叫热核反应,故B正确;原子弹爆炸能产生上亿摄氏度的高温,所以氢弹可利用原子弹引发热核反应,故C正确;在太阳和许多恒星内部进行着热核反应,故D正确。
3.(粒子与宇宙)太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向( )
A.一定与μ子的方向相同 B.一定与μ子的方向相反
C.一定与μ子在同一直线上 D.不一定与μ子在同一直线上
答案:C
解析:中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律,μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向必定也在这条直线上,由于质量关系不确定,则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反,故选项C正确。
4.(核能计算)太阳因核聚变释放出巨大的能量,其质量不断减少。太阳光从太阳射到月球表面的时间约为500 s,月球表面1 m2上1 s接收到太阳辐射的能量约为1.4×103 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A.4×109 kg B.4×1012 kg
C.4×1018 kg D.4×1024 kg
答案:A
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